Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 19. Химические источники тока

  1. Назовите имена выдающихся учёных — основоположников учения об электричестве.
  2. Перечислите приборы, аппараты, машины, которые работают на батарейках и аккумуляторах.
  3. Объясните, что представляет собой вольтов столб и каков принцип его действия.

Гальванические элементы, их устройство и принцип действия. Сложно представить себе жизнь современного человека без гальванических элементов — химических источников тока. Карманный фонарик и наручные часы, переносной радиоприёмник и телевизионный пульт дистанционного управления, аудио- и CD-плеер, лазерная указка и космический корабль — все эти и многие другие приборы и аппараты превращаются в безжизненный и бессмысленный набор деталей без электрического «сердца».

Именно источник тока создаёт из хаотического движения электронов стройную гармонию порядка и смысла. Самый современный компьютер, включённый в электрическую сеть через сетевые фильтры, стабилизаторы и источники бесперебойного питания, не обходится без маленькой малозаметной батарейки — гальванического элемента, обеспечивающего сохранность необходимой для «старта» и загрузки системной информации.

Принцип действия гальванического элемента, основа его работы — протекание на электродах окислительно-восстановительной реакции.

Для того чтобы понять причину возникновения на электродах разности потенциалов, рассмотрим реакцию металлического цинка с раствором сульфата меди (II). Цинк, как более активныИ металл, вытесняет медь из раствора соли:

Данная реакция является окислительно-восстановительной. Атомы металлического цинка, отдавая по 2 электрона, переходят в раствор в виде катионов Zn2+:

Атомы цинка передают свои электроны катионам меди, в результате чего они восстанавливаются, превращаются в атомы металла:

При внесении цинка в раствор сульфата меди (II) электроны переходят непосредственно от атомов цинка к катионам меди. А что если пространственно отделить процесс окисления цинка от процесса восстановления меди, заставив электроны перебегать от цинка к катионам меди по электрическому проводнику? В этом случае за счёт протекания химической реакции можно получить электрический ток!

Устройство для получения электрического тока за счёт протекания химических реакции называется гальваническим элементом.

Своё название такие устройства получили по имени итальянского естествоиспытателя Л. Гальвани (1737—1798), впервые наблюдавшего возникновение электрического тока при контакте двух различных металлов.

Один из первых гальванических элементов был создан в 1836 г. английским исследователем Д. Даниэлем и русским учёным Б. С. Якоби (1801—1874). Схема элемента Даниэля— Якоби приведена на рисунке 80.

Рис. 80. Схема гальванического элемента Даниэля—Якоби

Элемент Даниэля—Якоби представляет собой сосуд, разделённый полупроницаемой мембраной на два отделения. В левом отделении находится раствор соли цинка, в который погружена цинковая пластинка, в правом — раствор соли меди и медная пластинка. Пластинки соединены между собой в электрическую цепь. Катионы цинка, покидая пластинку, переходят в раствор, а их электроны по цепи перемещаются на медную пластинку, на которой происходит восстановление катионов меди из раствора. В элементе возникает электрический ток, вольтметр показывает разность потенциалов, близкую к 1 В.

Поистине трудно переоценить значение этого открытия. Невозможно представить себе современную жизнь без гальванических элементов — химических источников тока: от крохотных батареек до огромных аккумуляторов.

Если заменить в гальваническом элементе медную пластинку на серебряную, разность потенциалов в цепи будет больше. Значит, эта величина зависит от природы металлов и вполне может служить количественной характеристикой их активности. Для таких измерений в пару с металлическим электродом в цепь включают так называемый водородный электрод, потенциал которого условно принят за нуль. Таким образом, по величине потенциала на металлическом электроде все металлы располагают в знакомый вам ряд, называемый электрохимическим рядом напряжений.

При изготовлении современных портативных гальванических элементов, которые мы привыкли называть батарейками, для увеличения площади поверхности электродов помещают в виде электропроводного порошка (активной массы), а электролит в виде густой пасты для предотвращения его вытекания. На рисунке 81 показано устройство сухого щелочного элемента.

Рис. 81. Устройство сухого щелочного элемента: 1 — катодный колпачок (положительный полюс); 2 — наружный стальной корпус; 3 — перегородка; 4 — стальной кожух, по которому электроны движутся от положительного полюса к катоду; 5 — пластиковая прокладка; 6 — изолирующий слой; 7 — изолятор; 8 — смесь щелочного оксида марганца (IV) (катод) и графитового проводника; 9 — стальной стержень, по которому электроны движутся от анода к отрицательному полюсу; 10 — смесь электролита (хлорида аммония) и цинкового порошка (анод)

К сожалению, при замыкании внешней цепи гальванического элемента (например, при включении сотового телефона) на катоде восстанавливается окислитель, и его концентрация в околокатодном пространстве снижается, на аноде окисляется восстановитель, его концентрация также уменьшается. При этом разность потенциалов элемента падает, батарейка разряжается. Нельзя ли восстановить батарейку, продлить её жизнь, заставить работать снова? Можно, если электродные реакции в ней обратимы. В этом случае достаточно пропустить через элемент электрический ток от внешнего источника, восстановить окислившийся на аноде восстановитель, окислить принявший на катоде электроны окислитель. При пропускании «встречного» (подумайте, почему его так называют) тока через химический источник тока разность его потенциалов растёт, он запасает, аккумулирует энергию, или, как говорят, заряжается. Подобные гальванические элементы так и называются — аккумуляторы.

Любому автомобилисту известен один из самых распространённых аккумуляторов — свинцовый (рис. 82).

Рис. 82. Устройство свинцового аккумулятора (батарея из трёх элементов): 1 — отрицательная пластина; 2 — сепаратор; 3 — выступы на дне сосуда для установки пластины; 4 — положительная пластина; 5 — сосуд с перегородками (моноблок); 6 — выводной штырь; 7, 10 — клеммы; 8 — уплотнение; 9 — крышка; 11 — пробка; 12 — межэлементное соединение; 13 — мoс тик

Катод аккумулятора изготовлен из свинца, а анод — из пористой массы оксида свинца (IV), смешанной с сульфатом свинца (II). Электролитом служит раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи (разряде аккумулятора) на его электродах идут процессы восстановления свинца Рb+4 и окисления свинца Рb0, а концентрация кислоты в электролите снижается.

Суммарная окислительно-восстановительная реакция, протекающая при работе свинцового аккумулятора, следующая:

Разность электродных потенциалов, т. е. ЭДС гальванического элемента, составляет примерно 2 B. Поэтому в автомобильном аккумуляторе для достижения напряжения 12 B последовательно соединены шесть одинаковых элементов.

Поскольку при разрядке аккумулятора концентрация серной кислоты понижается, плотность электролита также снижается.

При пропускании электрического тока от внешнего источника (например, генератора автомобиля) в противоположном направлении электрод, бывший анодом, начинает восстанавливать ионы свинца, а электрод, бывший катодом, окисляет эти ионы. Происходит зарядка аккумулятора, при которой на электродах протекают обратные процессы, а концентрация кислоты в электролите растёт.

Таким образом, работа аккумулятора наглядно демонстрирует превращение энергии электрического тока во внутреннюю энергию вещества — энергию химических связей и обратный процесс — получение электрической энергии в ходе электродных реакций.

В современных электронных приборах широко используются миниатюрные литиевые и металлгидридные аккумуляторы.

Гальванизация и электрофорез. Приведённые выше примеры — далеко не полный перечень возможностей использования электрохимических процессов. В медицине широко применяются такие методы лечебного воздействия, как гальванизация и электрофорез.

Гальванизация — действие постоянным током небольшой силы и напряжения, оказывает болеутоляющее действие, улучшает периферическое кровообращение, способствует восстановлению поражённых тканей, стимулирует регуляторную функцию нервной системы. Гальванизация показана при поражениях периферической нервной системы (радикулиты, невриты, невралгии), головного и спинного мозга, невротических состояниях, воспалениях суставов (артритах) и т. п.

Лечебный электрофорез (направленное движение коллоидных частиц или ионов лекарства) — комбинированное лечебное действие на организм постоянного электрического тока и вводимых им через кожу или слизистые оболочки компонентов лекарственных препаратов. При электрофорезе повышается чувствительность рецепторов к лекарству, достигается локализация препарата в нужной области организма и увеличивается продолжительность его терапевтического действия, что позволяет снизить дозу лекарства без снижения лечебного действия. Электрофорез применяют при лечении центральной и периферической нервной системы, гинекологических заболеваний и болезней опорно-двигательного аппарата. Более подробно об использовании электрохимических процессов в медицине вы узнаете из следующей главы учебника. Кроме медицины, электрофорез используют для выделения каучука из латекса, очистки воды, анализа и разделения белков, аминокислот, витаминов, бактериальных клеток и вирусов.

На этом мы заканчиваем главу I, посвящённую атомам, веществам, реакциям. Вам остаётся только подкрепить изученный материал практическими работами. Следующая глава будет посвящена изучению человека, строению его тела, отдельных органов и систем органов, его здоровью.

Теперь вы знаете

  • как устроены гальванические элементы, их принцип действия
  • что такое гальванизация и электрофорез

Теперь вы можете

  • описать принцип действия гальванического элемента и его устройство
  • продемонстрировать на примере работы аккумулятора, как энергия электрического тока превращается во внутреннюю энергию вещества
  • охарактеризовать такие методы лечения, как гальванизация и электрофорез

Выполните задания

  1. На примере реакции цинка с раствором сульфата меди объясните, как на электродах возникает разность потенциалов.
  2. Сформулируйте, как эффективность работы гальванического элемента зависит от положения его металлов в электрохимическом ряду напряжений.
  3. Расскажите об устройстве сухого щелочного гальванического элемента.
  4. Рассмотрите устройство и работу свинцового аккумулятора, ответьте, применим ли принцип Ле Шателье к его работе.
  5. Проведите сравнительный анализ процессов гальванизации и электрофореза.

Темы для рефератов

  1. Аккумуляторы в современных приборах (мобильных телефонах, ноутбуках и т. п.).
  2. Батарейки — их настоящее и будущее.
  3. Научная деятельность Л. Гальвани — отца электрофизиологии.
  4. Русский физик Б. С. Якоби, его открытия и изобретения.

Рейтинг@Mail.ru